Cette thèse porte sur le gaz de Bose à basse température. La première partie présente le lien mathématique entre la condensation de Bose-Einstein et le groupe des permutations. L'expression de la fonction de partition bosonique en intégrale de chemin fait apparaître la factorisation en produit de cycles des permutations. Pour un gaz de Bose idéal, l'existence d'un condensat de Bose-Einstein est équivalente à l'apparition de cycles de longueur infinie. La discussion s'étend ensuite aux gaz en interaction, et à l'étude de la superfluidité. La deuxième partie se concentre sur les gaz atomiques ultra-froids quasi-bidimensionnels, qui sont l'objet d'expériences récentes. L'approche du gaz de Bose en intégrale de chemin a permis de clarifier le rôle de l'excitation thermique résiduelle du mouvement vertical. Un modèle de champ moyen tenant compte de la troisième dimension est en accord avec les résultats numériques et expérimentaux, au-dessus de la température critique. Les déviations par rapport à la théorie de champ moyen sont étudiées au voisinage de la transition superfluide, où le gaz entre dans un régime dégénéré avec de forts effets de corrélations de paires.

Nous décrivons la conception et la construction d'une horloge atomique sur une puce à atomes, visant une stabilité de quelques 1e-13 à 1s et une application en tant qu'étalon secondaire. Cette horloge est basée sur la transition à deux photons entre les sous-états hyperfins |1,-1> et |2,1> de l'état fondamental de l'atome 87Rb. Elle interroge cette transition en effectuant une spectroscopie de type Ramsey, soit sur un nuage thermique d'atomes froids, soit sur un condensat de Bose--Einstein (BEC). Contrairement aux horloges à fontaines, ce nuage est magnétiquement piégé sur une puce à atomes. <br><br>Nous décrivons d'une part un modèle théorique de la stabilité d'horloge, d'autre part un montage expérimental dedié, capable de contrôler le champ magnétique à un niveau relatif de 1e-5 et doté d'une puce hybride, qui contient des conducteurs à courant continu ainsi qu'un guide d'onde pour acheminer la microonde

Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques. Nous produisons un laser à atomes de 87 Rb par couplage optique Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l'effet de la gravité. Nous montrons qu'à l'inverse d'une méthode d'extraction Radio-Fréquence l'impulsion transférée aux atomes permet de réduire la divergence et d'améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée. La dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF est également étudiée théoriquement. Nous détaillons ensuite les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d'hélium métastable (4He* ). Nous décrivons l'ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu'à leur transfert dans un piège dipolaire ou un réseau optique. L'ajout d'un multiplicateur d'électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piége magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d'atomes 4He* et le transférer, in-situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.

Le but des expériences de puces à atomes est la réalisation de micropièges magnétiques et la manipulation très précise d'un nuage d'atomes dont la température est abaissée à quelques microkelvins. De tels pièges peuvent être obtenus en utilisant par exemple le champ magnétique créé par des courants portés par des pistes conductrices de taille micrométrique lithographiées sur un substrat. La présence de la surface de la puce à quelques dizaines de micromètres du nuage atomique peut toutefois se révéler gênante pour le piégeage. Les fluctuations du champ magnétique induites par le bruit de courant dans la puce engendrent des pertes et diminuent le temps de vie dans le piège. Ce bruit est dû à la résistivité finie du métal utilisé pour réaliser la puce (bruit de Johnson-Nyquist). <br /><br />Des modèles théoriques présentés dans cette thèse laissent penser que l'utilisation de pistes supraconductrices pourrait réduire ces pertes. L'effet du réseau de vortex présent dans le supraconducteur sur le champ magnétique proche de la surface est également étudié. Nous décrivons par la suite le dispositif cryogénique et la séquence expérimentale qui nous ont permis d'observer le premier piège magnétique sur puce supraconductrice. Le temps de vie dans ce piège à 440 micromètres de la surface avoisine deux minutes ce qui est très prometteur. Nous présentons enfin l'étape de refroidissement du nuage jusqu'à l'obtention d'un condensat de Bose-Einstein.

Cette thèse présente des résultats théoriques sur le chaos dans les systèmes quantiques. Dans sa première partie, nous étudions la dynamique du rotateur pulsé. Ce système, qui est la référence pour l'étude du chaos quantique, présente un gel de la diffusion en impulsion, appelé localisation dynamique. Celle-ci est un phénomène purement quantique basé sur des interférences destructives.<br /><br />Comme tout phénomène d'interférence, la localisation dynamique est affectée par l'émission spontanée. Dans cette thèse, nous proposons une méthode basée sur la spectroscopie Raman, pour limiter l'impact de l'émission spontanée. Nous menons une étude analytique complète de la dynamique, en très bon accord avec nos simulations numériques.<br /><br />Du fait de sa périodicité temporelle, le rotateur pulsé présente aussi des résonances quantiques, qui sont l'analogue de l'effet Talbot optique. En décrivant ces résonances dans l'espace des positions, nous en donnons une image simple et intuitive, basée sur des notions classiques comme la force.<br /><br />Les condensats de Bose-Einstein ont ouvert la voie à l'obtention de phénomènes quantiques nouveaux. La non-linéarité de leur équation d'évolution permet notamment l'observation du chaos quasi-classique. Nous proposons ici une méthode pour le détecter, basée sur la mesure de la position moyenne du condensat. Cette méthode, dont la validité est confirmée par les exposants de Lyapunov du système, permet de distinguer sans équivoque les trajectoires chaotiques et régulières.

Le refroidissement évaporatif d'un nuage d'atomes de rubidium ultra froids a été étudié dans le cadre d'un piégeage radio-fréquence dans un champ magnétique inhomogène de type Ioffe-Pritchard. Contrairement à la situation rencontrée dans les pièges magnétiques statiques où une transition radio-fréquence à un photon est utilisée pour contrôler la hauteur du piège, nous montrons qu'une transition à plusieurs photons est nécessaire pour contrôler la hauteur d'un piège habillé par un champ radio-fréquence. L'efficacité de l'évaporation n'est pas identique pour toutes les transitions : une transition à deux photons s'est avérée la plus efficace par rapport aux autres. Des résultats préliminaires de refroidissement évaporatif sont discutés. La dégénérescence quantique, qui est le but poursuivi dans le refroidissement évaporatif, n'a pas été atteinte, la très grande anisotropie du piège rendant pratiquement impossible la thermalisation à l'intérieur du piège. La dégénérescence quantique dans un piège radio-fréquence très anisotrope pourrait être satisfaite par la transformation adiabatique vers ce piège à partir d'un condensat de Bose-Einstein produit dans un piège magnétique de type Ioffe-Pritchard. Les expériences qui ont été réalisées dans ce sens ont été négatives : les fréquences latérales du pièges radio-fréquences sont trop basses pour assurer une transformation adiabatique en un temps raisonnable pour l'expérience. La fin de la thèse expose des résultats préliminaires de piégeage d'atomes dans une configuration magnétique quadrupolaire, cette dernière configuration conduisant à des fréquences d'oscillation de piège plus élevées dans les directions latérales.

Cette habilitation porte sur une série d'expériences faites avec comme leitmotiv la condensation de Bose-Einstein à deux dimensions. Pour confiner très fortement les atomes dans une direction, nous avons utilisé deux approches différentes. Dans un premier temps, nous avons projeté d'utiliser deux champs évanescents, ce qui permet de réaliser des gradients de champ très importants. Avec cet objectif, nous avons produit un condensat et mis au point une méthode de transfert vers le piège à ondes évanescentes. La production d'un condensat à 3 mm seulement d'une surface a constitué une première. Nous avons réalisé une série d'expériences impliquant une seule onde évanescente, qui ont montré que la surface du diélectrique présentait une rugosité trop importante pour confiner efficacement les atomes en dimension 2. Cette étude nous a permis en revanche de caractériser très précisément l'interaction entre les atomes et le champ diffusé par les défauts de surface. Nos expériences ont confirmé quantitativement la théorie de Carsten Henkel et al., ce qui est un point important pour les expériences, de plus en plus nombreuses, menées à proximité directe d'une surface. Nous avons également montré que la diffraction était toujours clairement observable malgré la forte diffusion, lors du rebond d'un condensat sur un miroir modulé.<br /><br />Dans un second temps, sur la proposition d'Oliver Zobay et Barry Garraway, nous avons mis au point une nouvelle approche pour confiner les atomes dans des potentiels très anisotropes. La combinaison d'un champ radiofréquence (RF) et d'un champ magnétique statique résulte en un potentiel adiabatique dont la géométrie peut être largement contrôlée, y compris dynamiquement. Ces potentiels RF permettent de réaliser une « bulle » à atomes, un double puits, un anneau... Nous nous sommes intéressés principalement à produire un piège quasi bidimensionnel dans l'épaisseur de la bulle. Ces pièges sont compatibles avec les condensats de Bose-Einstein, et les atomes peuvent être refroidis par évaporation in situ. Nos premières expériences impliquant des champs radiofréquence ont eu un impact important dans la communauté des atomes froids, en particulier pour les expériences sur puce. A la suite de nos travaux, de nombreuses équipes ont utilisé cette technique avec succès.

Dans les expériences de puces à atomes, des gaz froids d'atomes alcalins peuvent être maintenus dans un piège magnétique à une distance de quelques microns d'une surface conductrice. La présence de la surface peut se révéler gênante pour le piégeage. En effet, les fluctuations du champ magnétique induites par le bruit de courant dans la puce engendrent des pertes et diminuent le temps de vie de l'échantillon dans le piège quand le nuage se rapproche de la surface. Ce bruit magnétique de champ proche est dû à la résistivité du conducteur métallique utilisé pour le piégeage. L'une des solutions à ce problème pourrait être l'utilisation de supraconducteurs.<br /><br />Cette thèse présente la première expérience de puce à atomes supraconductrice. Nous avons en particulier obtenu le premier condensat de Bose-Einstein au voisinage d'un fil de niobium. Le condensat est composé d'environ 10.000 atomes à une température de 100 nK, à 50 micromètres de la surface de la puce. Les résultats obtenus au cours de ce travail montrent donc la faisabilité de la condensation de Bose-Einstein à quelques dizaines de microns d'une surface supraconductrice.<br /><br />Nous avons également calculé l'effet sur les atomes piégés du bruit de champ proche créé par la dynamique du réseau de vortex dans le supraconducteur. La dissipation dans les zones normales n'est pas négligeable, mais le temps de vie calculé reste très au-dessus des temps de vie mesurés au voisinage de conducteurs normaux. Ces prévisions théoriques confèrent aux puces à atomes supraconductrices un réel potentiel en termes d'applications des micropièges magnétiques très confinants. Ainsi, nous prévoyons par exemple de coupler le nuage atomique à des dispositifs supraconducteurs quantiques mésoscopiques, comme des cavités linéaires ou des SQUIDs.

Les techniques de refroidissement d'atomes par laser ont permis d'atteindre des températures suffisamment basses pour que des effets liés à la statistique quantique deviennent observables. Toutefois, compte tenu des faibles densités mises en jeu dans ces expériences, de tels effets ne sont significatifs que lorsque la vitesse moyenne des atomes est inférieure à la vitesse de recul d'un seul photon. La première partie de cette thèse présente la mise en oeuvre expérimentale à une dimension d'une méthode de refroidissement laser permettant de franchir la limite du recul, le refroidissement Raman. Pour rendre possible la généralisation cette méthode à trois dimensions et au cas d'atomes confinés, un nouveau type de piège, le piège opto-électrique, a été mis au point. Dans la deuxième partie, la détection des effets quantiques collectifs par une méthode optique (mesures de l'indice de réfraction et de la section efficace de diffusion) est étudiée théoriquement dans le cas d'un nuage atomique homogène et de faible densité. Sous cette hypothèse, les effets statistiques induisent une perturbation du signal faible, quoique détectable.

Première partie : Les effets d'interférences lors des diffusions multiples d'une onde dans un potentiel aléatoire peuvent conduire au phénomène de localisation d'Anderson, ce qui modifie profondément les propriétés de transport. Nous étudions la possibilité d'observer des effets de localisation de la lumière dans un condensat atomique gazeux. Nous voulons déterminer la distribution des temps de sortie d'un photon initialement placé dans un nuage atomique. Pour cela, nous modélisons la dynamique de ce système à l'aide de l'équation pilote qui décrit l'évolution de la matrice densité atomique. Dans l'hypothèse où le mouvement des atomes peut être négligé, l'apparition d'échelles de temps qui varient exponentiellement avec la taille du nuage permet d'obtenir une signature d'un effet de localisation.<br /><br />Deuxième partie : Nous étudions le refroidissement par évaporation d'un jet atomique en vue de l'obtention d'un laser à atomes continu. Pour estimer la longueur du jet permettant d'atteindre le régime de dégénérescence quantique, on développe deux méthodes de résolution de l'équation de Boltzmann : l'une, purement numérique, utilise une simulation Monte-Carlo ; l'autre, essentiellement analytique, repose sur un ansatz de la densité dans l'espace des phases. Nous décrivons alors les principales propriétés de cohérence du faisceau atomique ainsi obtenu en prenant en compte les effets de la statistique quantique et des interactions entre les atomes.